四方光電激光光譜技術的十年布局，助推氣體分析儀器國產化提速

在第一台激光器誕生60多年後的今天, 隨著激光光源、探測技術、實驗裝置和數據處理等各方麵技術的飛躍發展, 激光光譜技術作為(wei) 微觀感知領域的核心技術, 已經成為(wei) 物理、化學、生物、環境以及天文學等領域中研究光與(yu) 物質相互作用的重要手段, 從(cong) 實驗室基礎研究到各領域應用第一線都扮演著重要的角色。

拉曼光譜技術早有布局，突破工業(ye) 過程氣體(ti) 分析技術瓶頸

在工業(ye) 過程氣體(ti) 監測領域，傅裏葉紅外（FITR)、質譜(MS)、氣相色譜(GC)等原理的氣體(ti) 分析儀(yi) 各有優(you) 點。傅裏葉紅外技術一個(ge) 氣室很難適合不同的量程，也無法分析H2、02、N2甚至不同的碳氫化合物；質譜分析技術對於(yu) 同質量的氣體(ti) 分子識別度很低；氣相色譜分析需要載氣，對於(yu) 不同類型氣體(ti) 需要切換不同的分離柱。而得益於(yu) 激光技術的普及以及各種高精度光譜分析模塊的出現，激光拉曼光譜氣體(ti) 分析技術發展迅速。該產(chan) 品主要定位於(yu) 石油天然氣、頁岩氣、石化、大型煤化工等工業(ye) 過程市場。

四方光電副總經理、高級工程師石平靜向記者介紹：隨著我國對大型能源裝備國產(chan) 化要求的提高，針對氣體(ti) 分析儀(yi) 器領域進口替代需求，為(wei) 加快解決(jue) 激光拉曼光譜氣體(ti) 分析儀(yi) 在不同行業(ye) 的應用問題，公司早在2012年就開始著手激光拉曼光譜氣體(ti) 分析儀(yi) 的研究，並作為(wei) 牽頭單位實施國家重大科學儀(yi) 器設備開發專(zhuan) 項“激光拉曼光譜氣體(ti) 分析儀(yi) 器的研發與(yu) 應用”項目。通過開發專(zhuan) 項的研發，四方光電形成了包括光路及光譜分析、拉曼信號增強、拉曼分析測控軟件、智能算法等技術，解決(jue) 了激光器功率、溫度、壓力等外部因素的波動對測量精度的影響問題，共獲授10項發明專(zhuan) 俐。通過拉曼信號增強的技術突破及自主研製寬光譜範圍的拉曼光譜分析模塊，四方光電激光拉曼光譜氣體(ti) 分析儀(yi) 可以滿足天然氣多組分快速同步分析。分析時間由原先行業(ye) 的100秒至幾十分鍾縮短為(wei) 10秒，提高了10倍以上；可快速測量CH4、C2H6、C2H4、C2H2、C3H8、C3H6、C4+、CO、CO2、H2、O2、N2、H2S、H2O、CH3OH、CH3-NO、NO等十餘(yu) 種氣體(ti) ，用一台激光拉曼光譜氣體(ti) 分析儀(yi) ，配套采用不同應用場景的行業(ye) 應用軟件，就可以解決(jue) 天然氣頁岩氣成分、煤氣化、高爐轉爐焦爐、石油煉化等工業(ye) 流程多組分氣體(ti) 在線監測的行業(ye) 難點。

圖1：四方光電激光拉曼光譜氣體(ti) 分析儀(yi)

（左：實驗室台式分析儀(yi) 右：在線防爆型分析係統）

深耕TDLAS技術，築就氣體(ti) 分析產(chan) 業(ye) 高地

近紅外和中紅外光譜區域新激光器的可用性又推動了氣體(ti) 測量傳(chuan) 感器的發展，這些傳(chuan) 感器現在廣泛應用於(yu) 工業(ye) 過程。基於(yu) 可調諧二極管激光吸收光譜 (TDLAS) 分子，如 O2、CH4、H2O、CO、CO2、NH3、HCI和HF，可以在連續、實時操作中以高選擇性和靈敏度進行原位檢測。使用波長調製光譜 (WMS) 等靈敏的檢測技術，通常可以在1秒的積分時間內(nei) 進行低 ppb和ppm濃度測量。檢測限值可以通過使用抽取式采樣和長的多通道池來提高。當前TDLAS 已成為(wei) 工業(ye) 過程中用於(yu) 困難測量任務的*技術，因為(wei) 它與(yu) 高溫、高壓、粉塵水平和腐蝕性介質兼容，可以確定氣體(ti) 濃度、溫度、速度和壓力。

石平靜表示，基於(yu) 四方光電氣體(ti) 傳(chuan) 感技術平台，打造氣體(ti) 分析科學儀(yi) 器是公司重要的長期戰略。公司深耕激光TDLAS技術研究多年，旨在提升基於(yu) 激光光譜測量技術的專(zhuan) 業(ye) 能力，進一步聚焦實驗室和過程分析領域，實現業(ye) 務可持續性發展，為(wei) 工業(ye) 客戶提供從(cong) 產(chan) 品研發和工藝流程設計，到生產(chan) 製造和質量控製的專(zhuan) 業(ye) 支持。

基於(yu) 對TDLAS技術及激光器的自主研發，公司推出了GasTDL-3100高性能原位激光過程氣體(ti) 分析儀(yi) ，采用對射式設計，響應時間快速，在原位式測量中以秒計算，可在線及時反應被測氣體(ti) O2、CO、CO2或者CH4濃度，避免了采樣式測量帶來的時間延遲；在高溫、高粉塵、高水分、高腐蝕性、高流速等惡劣測量環境下具有良好的適應性；氣體(ti) 濃度不易失真，測量精度高。可以廣泛用於(yu) 冶金、石化、水泥、電力、環保等行業(ye) 。

 圖2：四方光電TDLAS原位激光過程氣體(ti) 分析儀(yi)

依托激光核心技術積累，發力環境氣體(ti) 監測正當時

在環境監測煙氣排放領域，基於(yu) TDLAS可調諧半導體(ti) 激光吸收光譜技術，公司開發了GasTDL-3000激光氨逃逸氣體(ti) 分析儀(yi) ，適用於(yu) 在線監測脫硝工藝出口NH3的濃度，采用高溫伴熱抽取技術，可以有效降低氣體(ti) 冷凝損耗，實時準確地反應逃逸氨的變化，為(wei) 環保監測提供可靠數據支持。

 圖3：四方光電TDLAS激光氨逃逸氣體(ti) 分析儀(yi)

“近年來，TDLAS激光氣體(ti) 檢測技術以其高效、方便和良好的通用性也正成為(wei) 目前解決(jue) 煤礦瓦斯、燃氣報警等環境問題的研究熱點”，石平靜還告訴記者，在工業(ye) 領域和日常生活中甲烷一直被廣泛應用 ,是典型的易燃易爆氣體(ti) ，及時精準檢測，對工礦安全運行、人身安全及環境保護有著十分重要的作用。TDLAS全光學設計、靈敏度高、電絕緣性好、不受電磁幹擾、易於(yu) 微機連接、能實現遠距離傳(chuan) 輸，在易燃易爆物集散地、高溫等極端環境中具有不可比擬的*優(you) 勢，是目前有前景的一種甲烷監測傳(chuan) 感技術。目前國內(nei) 外市場上的甲烷傳(chuan) 感器種類繁多，TDLAS調諧激光式方法相比於(yu) 催化燃燒和氧化物半導體(ti) 三種方法，是一種比較高級的甲烷測量方法，具有精度高、範圍大、響應速度快、抗幹擾、穩定性好，環境適應性高。近日，四方光電研發推出的一款激光甲烷米兰高赔竞猜足球，按管廊標準要求進行設計，可應用於(yu) 地下管廊(網)、地下井室石油化工、燃氣生產(chan) 運輸等有甲烷氣體(ti) 的環境。

圖4：四方光電TDLAS激光甲烷傳(chuan) 感器

十年厚積，以激光光譜技術夯實高端醫療呼吸機用氧氣傳(chuan) 感器占位

四方光電堅持“1+3”發展戰略，醫療健康米兰高赔竞猜足球領域成果轉化能力進一步提高，目前有製氧機超聲波氧氣傳(chuan) 感器（取代傳(chuan) 統的氧化鋯氧氣傳(chuan) 感器）、激光氧氣傳(chuan) 感器（取代電化學和順磁氧氣傳(chuan) 感器）、超聲波肺功能檢查儀(yi) 等。

氧氣傳(chuan) 感器是呼吸機、麻醉機的重要關(guan) 鍵部件，開發高性能的醫用氧氣傳(chuan) 感器，打破國外主流呼吸機企業(ye) 和國外傳(chuan) 感器供應商的技術壟斷非常必要，是實現高端醫療呼吸機、麻醉機真正國產(chan) 化的必要條件。呼吸機用氧氣傳(chuan) 感器國內(nei) 目前主要采取電化學與(yu) 順磁測量氧氣濃度，前者使用壽命短，通常使用一年就需要更換，且用一段時間會(hui) 有偏差，需要不定期校準；後者價(jia) 格昂貴，對氣體(ti) 壓力比較敏感，需要進行壓力補償(chang) 。

針對目前呼吸機用氧氣傳(chuan) 感器存在的缺陷和技術難點，四方光電基於(yu) TDLAS可調諧激光光譜技術原理，就激光器選型與(yu) 封裝技術、氧氣傳(chuan) 感器控溫及驅動電路設計、快速響應微小型氣室設計以及信號解調及算法處理等多個(ge) 方麵進行研究，研製出具有較高精度、高穩定性、快速響應的激光氧氣傳(chuan) 感器，該產(chan) 品替代同類進口產(chan) 品，加快補齊我國高端醫療裝備的短板，實現自主可控。

圖5：四方光電快速激光氧氣傳(chuan) 感器

寫(xie) 在結尾

四方光電長期專(zhuan) 注於(yu) 米兰高赔竞猜足球以及高端氣體(ti) 分析儀(yi) 器的研發和產(chan) 業(ye) 化，依托省級技術中心、湖北省氣體(ti) 儀(yi) 器儀(yi) 表工程中心兩(liang) 個(ge) 技術平台，四方光電積極融入國家技術創新體(ti) 係，先後獲得國家科技部創新基金重點項目、國家重大科學儀(yi) 器專(zhuan) 項、工信部物聯網發展專(zhuan) 項、湖北省重大技術創新項目、武漢市重大科技成果轉化項目等多個(ge) 項目的支持，逐步建立了包括紅外、紫外、熱導、激光拉曼、TDLAS、超聲波、電化學、MEMS金屬氧化物半導體(ti) 等原理的米兰高赔竞猜足球技術平台，這個(ge) 平台為(wei) 四方光電的高端氣體(ti) 分析儀(yi) 器國產(chan) 化提供了強有力的動力。新發展的激光拉曼光譜、可調諧半導體(ti) 激光吸收光譜TDLAS 等氣體(ti) 分析技術，配合公司常年發展積累的紅外、熱導、順磁等原理的氣體(ti) 分析儀(yi) 器技術，四方光電已經形成我國自有自主知識產(chan) 權的高、中端完整的氣體(ti) 分析儀(yi) 器應用解決(jue) 方案，將大力推動鋼鐵冶金、煤化工、石油煉化、天然氣等國家戰略產(chan) 業(ye) 以及醫療健康等領域高端裝備的國產(chan) 化。